本書系統(tǒng)闡述了經典控制理論的基本原理及其在機械工程自動控制系統(tǒng)中的應用。全書共11章,主要介紹了機械工程控制系統(tǒng)的基本概念、拉普拉斯變換、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型;分析了線性時不變系統(tǒng)的時間響應、頻率特性、穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差及根軌跡;闡述了系統(tǒng)的設計校正方法、控制理論的MATLAB分析方法,并用兩個機械系統(tǒng)實例說明控制理論在機械工程中的實際應用。
控制概念的萌生和控制理論的應用始于機械工程,隨著科學技術的進步與發(fā)展,控制理論在機械工業(yè)的應用越來越廣泛、越來越深入?刂评碚撎峁┑霓q證方法,使人們從整體上來認識和分析機械系統(tǒng),并改進機械系統(tǒng),以滿足生產實際的需要。
控制理論中運用了大量的數(shù)學知識,使很多學生在學習過程中感到抽象和難以理解,影響了學習興趣和學習效果;同時因為抽象,也很難將控制理論與工程實際聯(lián)系起來。本書將從以下幾個方面解決這些問題:(1)淡化數(shù)學推證從直觀的物理概念出發(fā)分析問題、解決問題,不苛求嚴格的數(shù)學推證,突出方法論。
(2)突出系統(tǒng)性系統(tǒng)闡述經典控制理論的主要內容,力求完整、系統(tǒng),強調各知識點之間的內在聯(lián)系和相互銜接。
(3)強調實用性在講解每個知識點后,列舉多個例題,力求全面,并附有思考題與習題,鞏固所學知識,使學生在了解基本概念和基本知識的前提下,掌握基本方法。
(4)突出工程背景列舉了兩個機械工程實例,從系統(tǒng)建模、時域分析、頻域分析到根軌跡、系統(tǒng)校正,使理論與實際緊密結合,增加教材的針對性和實用性。
(5)增強先進性專門用一章介紹控制系統(tǒng)的MATLAB分析方法,使學生能使用先進的方法和手段完成控制系統(tǒng)的分析與應用。
本書共11章,包括:緒論、拉普拉斯變換、控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、控制系統(tǒng)的時間響應、控制系統(tǒng)的誤差分析、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制系統(tǒng)的根軌跡分析、控制系統(tǒng)的綜合與校正、控制系統(tǒng)的MATLAB分析、機械工程控制理論在工程實際中的應用。本書可按32~56學時編排教學內容。
本書由王潔和劉慧芳擔任主編,梁全和高翼飛擔任副主編。參加編寫的人員還有:孟新宇、王劍、謝群和欽蘭云。全書由王潔修改定稿。
由于編者水平有限,書中難免有疏漏和不足之處,懇請讀者批評指正。
編者
前 言
第1 章 緒論 1
1. 1 控制理論的發(fā)展與應用 1
1. 2 控制系統(tǒng)的基本結構和工作原理 3
1. 3 自動控制的基本方式 5
1. 4 對控制系統(tǒng)的基本要求 9
思考題與習題 10
第2 章 拉普拉斯變換 12
2. 1 復數(shù)和復變函數(shù) 12
2. 2 拉普拉斯變換簡介 13
2. 3 典型時間函數(shù)的拉普拉斯變換 16
2. 4 拉普拉斯反變換 18
2. 5 拉普拉斯變換在工程中的應用 21
思考題與習題 22
第3 章 控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 23
3. 1 系統(tǒng)的微分方程 23
3. 2 系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 31
3. 3 系統(tǒng)框圖及其簡化 40
3. 4 系統(tǒng)信號流圖及梅森公式 48
3. 5 相似原理 52
思考題與習題 54
第4 章 控制系統(tǒng)的時間響應 60
4. 1 時間響應的組成及主要性能指標 60
4. 2 一階系統(tǒng)時域分析 63
4. 3 二階系統(tǒng)時域分析 67
4. 4 二階系統(tǒng)的性能指標 72
4. 5 高階系統(tǒng)時域分析 75
思考題與習題 77
第5 章 控制系統(tǒng)的誤差分析 80
5. 1 穩(wěn)態(tài)誤差的基本概念 80
5. 2 與輸入有關的穩(wěn)態(tài)偏差 82
思考題與習題 90
第6 章 控制系統(tǒng)的頻域分析 94
6. 1 頻率特性概述 94
6. 2 頻率特性的極坐標圖 99
6. 3 頻率特性的對數(shù)坐標圖 105
6. 4 頻域性能指標 113
6. 5 最小相位系統(tǒng) 114
思考題與習題 116
第7 章 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 118
7. 1 系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念及穩(wěn)定條件 118
7. 2 代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù) 119
7. 3 幾何穩(wěn)定性判據(jù) 126
7. 4 系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性 135
思考題與習題 137
第8 章 控制系統(tǒng)的根軌跡分析 140
8. 1 根軌跡概述 140
8. 2 根軌跡的繪制方法 142
8. 3 利用根軌跡法進行系統(tǒng)性能分析 149
思考題與習題 149
第9 章 控制系統(tǒng)的綜合與校正 151
9. 1 概述 151
9. 2 控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正 152
9. 3 PID 校正 169
9. 4 并聯(lián)校正 175
思考題與習題 181
第10 章 控制系統(tǒng)的MATLAB 分析 183
10. 1 控制系統(tǒng)數(shù)學模型的MATLAB
描述 183
10. 2 時間響應MATLAB 分析 188
10. 3 頻率特性MATLAB 分析 194
10. 4 穩(wěn)定性MATLAB 分析 196
10. 5 根軌跡MATLAB 分析 198
10. 6 系統(tǒng)校正MATLAB 分析 201
思考題與習題 203
第11 章 機械工程控制理論在工程
實際中的應用 205
11. 1 數(shù)控機床直線運動工作臺位置
控制系統(tǒng) 205
11. 2 閥控對稱液壓缸位置閉環(huán)控制
系統(tǒng) 211
思考題與習題 219
參考文獻 220